JP6372660B2 - 固体酸化物型燃料電池装置 - Google Patents
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Description
このように構成された本発明においては、蒸発器をモジュールケースの外部に設けたので、モジュールケース内の排気ガスの温度を高く維持することができ、この高い温度の排気ガスを熱交換器に供給することにより、熱交換器での熱交換性を向上させることができる。そのため、熱交換器で適切に昇温された酸化剤ガスを燃料電池セルに供給することができ、固体酸化物型燃料電池装置における起動時の昇温を安定的に且つ速やかに行うことができる。ところで、このように蒸発器をモジュールケースの外部に設けた場合には、上述したように、蒸発器から改質器に水蒸気が供給される過程で水蒸気の温度が低下し、低温の水蒸気によって改質器の温度が下がって、改質器の改質性能が低下してしまう場合がある。最悪の場合、蒸発器と改質器との間で水蒸気が液化し、液化した水が改質器に供給されて、改質器が劣化してしまう可能性がある。そこで、本発明は、このような問題を解決するような構成を適用した。
具体的には、本発明では、蒸発器と改質器とを連通させる混合ガス供給管をモジュールケース内を横断するように構成して、つまり混合ガス供給管を改質器に接続する過程でモジュールケース内を通過させるよう構成して、モジュールケース内の排気ガスによって混合ガス供給管内の混合ガスを加熱した。これに加えて、本発明では、改質器における混合ガスの流れ方向において改質部の上流側に予熱部を設け、モジュールケース内の排気ガスによって改質器の予熱部内の混合ガスを加熱した。このような本発明によれば、混合ガス供給管及び改質器の予熱部において改質器の改質部に供給する混合ガスを確実に適温にまで昇温させることができ(この場合、当然、水蒸気が液化してしまうことはない)、改質部での改質性能を効果的に安定化することができる。
更に、本発明によれば、蒸発器の混合部と、この混合部に一端が接続された細長い混合ガス供給管と、この混合ガス供給管の他端が接続された改質器の予熱部と、に混合ガスを流す過程において、改質器の改質部に供給される混合ガスの混合性を向上させることができる。
このように構成された本発明によれば、改質器の予熱部を、複数の燃料電池セルの上端の直上で、且つ、燃焼部による燃焼熱及び排気ガスに曝される位置に配置したので、改質器の予熱部において混合ガスを適切に昇温することができ、上述した蒸発器をモジュールケースの外部に設けた場合の問題点を解消することができる。特に、本発明によれば、排気ガス指向手段によって、燃焼部で生成された排気ガスを積極的に改質器の予熱部に指向させるので、起動工程での熱量が小さな排気ガスによっても、改質器の改質部に供給する混合ガスを確実に昇温し、改質部での改質性能を速やかに安定化することができる。
このように構成された本発明によれば、排気ガス指向手段によって改質器の予熱部に指向された排気ガスが、この予熱部に衝突した後に折り返して排気口に指向されるように構成したので、燃焼部で生成された排気ガスが排気口から排出されるまでの間に確実に予熱部の周囲に排気ガスを流させることができ、予熱部内の混合ガスを効果的に加熱することができる。また、排気ガスの折り返しによる圧損向上を利用して、排気ガスと予熱部内の混合ガスとの長い熱交換時間を確保することができ、簡易な構成にて、より安定的に混合ガスを加熱することができる。
このように構成された本発明によれば、混合ガス供給管にも予熱部を設けたので、改質器の改質部に供給する混合ガスをより一層確実に加熱することができる。
このように構成された本発明によれば、混合ガス供給管の予熱部を、混合ガスの流れ方向における下流側の部分に設け、燃焼部で生成された排気ガスをこの予熱部に衝突させるように(つまり当該予熱部が燃焼熱や排気ガスに積極的に曝されるように)、複数の燃料電池セルの上端部によって形成される仮想平面と平行になるように配置したので、簡易な構成にて混合ガスを加熱することができる。
このように構成された本発明によれば、混合ガス供給管の予熱部から改質器の予熱部に噴出された混合ガスが、改質器の予熱部において拡張されて流速が低下するように構成したので、簡易な構成にて、改質器の予熱部内の混合ガスと周囲の排気ガスとの熱交換時間を大きくすることができ、混合ガスを効果的に昇温することができる。加えて、本発明では、改質器の予熱部内の混合ガスが、この予熱部の下流端側の壁面に衝突して折り返して改質部に流入するように構成したので、改質器の予熱部を形成する壁面を介した効果的な熱交換や、熱交換時間の拡大を、改質部の容積を犠牲にして予熱部の容積を拡大することなく、適切に実現することができる。加えて、本発明によれば、混合ガスが改質器の予熱部内を上記したように流れることで、この予熱部において混合ガスの混合性を効果的に向上させることができる。
このように構成された本発明によれば、混合ガス供給管の予熱部を改質器の貫通孔内に配置したので、混合ガス供給管の予熱部において効果的に混合ガスを昇温することができる。
このように構成された本発明によれば、改質器の貫通孔を形成する改質器壁面によって排気ガス指向手段を構成したので、構造を複雑化することなく、改質器の予熱部及び混合ガス供給管の予熱部での混合ガスと排気ガスとの効率的な熱交換を実現することができる。
まず、本発明の第1実施形態による固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)について説明する。
なお、より詳しくは、発電用空気供給通路77は、モジュールケース8の側板8bの一の面及び当該面に対向する面のそれぞれに対して設けられている、つまり二つの発電用空気供給通路77が存在している。
図6に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
図7に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16は、8本ずつ2列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット16は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板68(図2参照)により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット16が4本ずつ、概ね正方形の2枚の上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
図8に示すように、改質器20は、その上部の筒状部20hにおける上端部に形成されたフランジ部20jが(図5も参照)、モジュールケース8の天板8aの下面に設けられた支持部8dに係合されることで、モジュールケース8の天板8aによって支持される。改質器20のフランジ部20jは係合部に相当し、モジュールケース8の天板8aの支持部8dは被係合部に相当する。このような改質器20のフランジ部20jをモジュールケース8の天板8aの支持部8dに係合して、改質器20をモジュールケース8の天板8aに取り付けることにより、改質器20とモジュールケース8の天板8aとの間での排気ガスの通過を遮蔽しつつ、改質器20がモジュールケース8の天板8aに対して水平方向に摺動可能に支持されることとなる。この場合、改質器20がモジュールケース8の天板8aに対して水平方向に摺動可能であるため、改質器20及び混合ガス供給管62の熱膨張を水平方向に吸収できるようになる。
図9は、本発明の第1実施形態による、熱膨張を吸収可能なように構成された混合ガス供給管62の一部分の概略断面図である。図9に示すように、混合ガス供給管62において水平方向に延びる部分、即ち改質器20の貫通孔20d内に位置する混合ガス供給管62の部分には(図5(B)も参照)、熱膨張差を水平方向に吸収可能な蛇腹管62cが適用されている。
これに対して、本実施形態では、上述したように、改質器20をモジュールケース8の天板8aに固定し、改質器20を上方から支持している、つまり改質器20をつり下げている(図8参照)。このような本実施形態による構成では、従来の固体酸化物型燃料電池装置のように、改質器20を支持する部材を反射板として利用することができない。そのため、本実施形態では、複数の燃料電池セル16の各々に対する周囲からの熱の反射が均等になるように、モジュールケース8の側板8bを形成するとよい。具体的には、図4に示すように、水添脱硫器用水素取出管65の下方に接続された燃料ガス供給管64(この燃料ガス供給管64は燃料電池セルユニット16に向けて熱を反射する部材として働く)が近傍に位置する燃料電池セルユニット16と、燃料ガス供給管64が近傍に位置しない燃料電池セルユニット16とで、燃料電池セルユニット16と周囲の部材との熱的な距離(つまり熱を反射する部材との距離)が等しくなるように、燃料ガス供給管64が近傍に位置しない燃料電池セルユニット16に対向するモジュールケース8の側板8bについて、燃料電池セルユニット16側に突出するような凸部8cを形成するとよい。つまり、燃料ガス供給管64が近傍に位置しない燃料電池セルユニット16に対向する側板8bが、燃料ガス供給管64が近傍に位置する燃料電池セルユニット16に対向する側板8bよりも内方に位置するように、モジュールケース8の側板8bを構成するとよい。
特に、本実施形態では、排気ガスの流れ方向において熱交換器23を蒸発器25よりも上流側に設けたため、熱交換器23を蒸発器25よりも下流側に設けた場合と比較して、高温の排気ガスが熱交換器23に供給されるので(蒸発器25で熱交換される前の排気ガスが熱交換器23に供給されるから)、熱交換器23において発電用空気をより効果的に昇温させることができ、起動時において燃料電池モジュール2をより大きく昇温させることができる。この場合、排気ガスの流れ方向において蒸発器25を熱交換器23の直後に配置し、蒸発器25を断熱材7内に設けているため、排気ガスの無駄な熱交換がなされないので、蒸発器25での水の蒸発性能を適切に確保することができる。
特に、本実施形態では、モジュールケース8内を横断するように蒸発器25と改質器20とを連通する混合ガス供給管62を構成したので、つまり混合ガス供給管62を改質器20に接続する過程でモジュールケース8内を通過させるよう構成したので、モジュールケース8内の排気ガスによって混合ガス供給管62内の混合ガスを加熱することができ、昇温させた混合ガスを改質器20に供給することができる。よって、蒸発器25をモジュールケース8の外部に設けた構成でも、改質器20での高い改質性能を簡易な構成にて実現することができる。
加えて、本実施形態では、改質器20も、熱膨張を水平方向に吸収可能なように、モジュールケース8の天板8aに対して水平方向に摺動可能に取り付けたため(図8参照)、改質器20の応力緩和のみならず、混合ガス供給管62に改質器20の変形応力が作用することを抑制でき、上記した混合ガス供給管62の蛇腹管62cを簡素化することができると共に、混合ガス供給管62の改質器20等への連結強度も高くすることができる。
加えて、本実施形態では、上記のように改質器20の予熱部20bに指向された排気ガスが、この予熱部20bに衝突した後に折り返して排気口11に指向されるように構成したので、予熱部20bに向かう排気ガスが減ることなく、混合ガスを確実に加熱することができる。この場合、排気ガスの折り返しによる圧損向上を利用して、排気ガスと予熱部20b内の混合ガスとの長い熱交換時間を確保することができ、簡易な構成にて、より安定的に混合ガスを加熱することができる。
加えて、本実施形態では、改質器20に一体的に形成された排気通路壁(具体的には筒状部20h)によって、モジュールケース8の天板8aに形成された排気口11と連通する第2排気通路72をモジュールケース8内に形成したので(図2及び図5等参照)、排気ガスを排出する排気性能を確保しつつ、上記の排気通路壁をモジュールケース8の天板8aへの改質器20の支持部材として兼用したことにより、燃料電池モジュール2をより一層小型化することができる。
上記したように改質器20をモジュールケース8の天板8aからつり下げる構成では、改質器20を天板8aに対して支持させる部材(具体的には筒状部20h)を、改質器20が重いこと及び高温になると支持部材の強度が下がることにより、あまり長くすることができない、即ち改質器20の天板20gとモジュールケース8の天板8aとの距離を長くしにくい。そのため、第2排気通路72の上下方向の幅が小さくなり、第2排気通路72に排気ガスを導入させにくくなる、即ち、排気ガス導入口としての筒状部20hの切り欠き部20iから第2排気通路72内へ排気ガスを導入させにくくなる。したがって、本実施形態では、排気ガス導入口としての切り欠き部20iに排気ガスを指向させる排気ガイド板81を設けた。これにより、改質器20の天板20gとモジュールケース8の天板8aとの距離を小さくしても、改質器20の切り欠き部20iから第2排気通路72内へ排気ガスを確実に導入させることができるので、燃料電池モジュール2を小型化することが可能となる。
まず、ステップS1では、モジュールケース8の側板8bと別体に構成された、このモジュールケース8の天板8aに対して、改質器20と、熱交換器23及び蒸発器25を含む熱交換モジュール21とを固定するサブアッセンブリー工程が行われる。具体的には、サブアッセンブリー工程では、モジュールケース8の天板8aの下面に対して改質器20を固定すると共に、モジュールケース8の天板8aの上面に対して熱交換モジュール21及び断熱材7を固定する。
そして、ステップS2では、サブアッセンブリー工程で改質器20及び熱交換モジュール21が固定された天板8aを側板8bに固定してモジュールケース8を組み立てるモジュールケース組立工程が行われる。
次に、本発明の第2実施形態による固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)について説明する。
これに対して、本実施形態では、モジュールケース8内において燃料電池セル集合体12よりも上方に第2排気通路172を設けて、この第2排気通路172を用いて空気熱交換を行うようにし、つまり燃料電池セル集合体12よりも上方のモジュールケース8内の位置で空気熱交換を行うようにし、また、燃料電池セル集合体12の側方を排気ガスが下方に流れないようにしたので、燃料電池セル集合体12の上下方向の熱勾配を抑制することができる。この場合、本実施形態によれば、上記した従来技術のように、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セル集合体12とをある程度の距離を離して設けたり、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セル集合体12との間に断熱材を設けたりする必要がないため、燃料電池モジュール2Xを大型化及び高コスト化させることなく、燃料電池セル集合体12への熱影響を抑制することができる。
このような理由により、本実施形態によれば、燃料電池モジュール2Xを小型化及び低コスト化することができるのである。具体的には、本実施形態によれば、燃料電池セル集合体12への熱影響を考慮して燃料電池セル集合体12とモジュールケース8とを離さなくてもよく、燃料電池セル集合体12とモジュールケース8とを近付けて配置することができるため、燃料電池モジュール2Xを小型化することができる。
ここで、本実施形態では、燃料電池セル集合体12上方の発電用空気供給通路177及び第2排気通路172のみで空気熱交換を行うため、熱交換距離が短くなる傾向にあり(言い換えると熱交換面積が小さくなる傾向にあり)、発電用空気を昇温させにくくなる。これに対処すべく、本実施形態では、空気熱交換を行うモジュールケース8内の排気ガスの温度を高く維持するために、蒸発器125をモジュールケース8の外に設けた(この場合、当然、蒸発器125で熱交換を行う前の排気ガスにより空気熱交換が行われることとなる)。こうすることで、空気熱交換を行うモジュールケース8内の排気ガスの温度を高く維持することができ、熱交換距離が短くても、発電用空気を十分に昇温させることが可能となる。
また、本実施形態によれば、モジュールケース8の室内熱と発電用空気とを自然に熱交換させるだけでなく、燃料電池セル集合体12上方に第2排気通路172を形成して燃料電池セル集合体12に影響を与えない環境下で空気熱交換を積極的に行わせているので、排気流動等に影響されることなく、確実に安定した空気熱交換を実現することができる。更に、本実施形態によれば、上記したような構成により、少ない排気ガスの熱量で発電用空気を昇温することができ(つまり熱自立しやすい)、また、システムを昇温させるための発電用空気の量も少なくて済む。
加えて、本実施形態によれば、上記した遮蔽板120gの下方で且つ改質部120cの上方に排気誘導室201を形成したので、この排気誘導室201に誘導した排気ガスによって改質部120cを上方から加熱することができる。この場合、改質部120cの上方の遮蔽板120gが反射板として機能するので、遮蔽板120gによる輻射熱を改質部120cに更に与えることができ、改質部120cを効果的に昇温することができる。加えて、遮蔽板120gの上方のガス溜203が断熱層として機能するので、改質部120cの温度を適切に維持することができる。
図21に示すように、本変形例による遮蔽板120jは、上述した遮蔽板120g(図16及び図18参照)と同様の位置に設けられているが、縁部が上方向に傾斜した傾斜部120kを有する。この遮蔽板120jの傾斜部120kは、第2排気ガイド部に相当し、図21中の矢印に示すように、排気ガスが第2排気通路172の排気ガス導入口172bに流れ込むように指向させる。本変形例では、第2排気通路172は、水平方向だけでなく、水平方向に延びた先で下方向にも延びており、排気ガス導入口172bは、この第2排気通路172の水平部よりも下方に位置する。また、本変形例でも、遮蔽板120jより下方且つ予熱部120b及び改質部120cの上方の空間は、排気誘導室201を形成し、遮蔽板120jより上方且つ第2排気通路172の下方の空間は、ガス溜203を形成する。
このような変形例によれば、遮蔽板120jに設けた傾斜部120kによって、排気ガスが排気ガス導入口172bから第2排気通路172へと流れ込むように、排気ガスを効果的に誘導することができる。そのため、高温に維持された排気ガスを第2排気通路172に導入することができ、第2排気通路172内の排気ガスと発電用空気供給通路177内の発電用空気との熱交換性を向上させることができる。加えて、排気ガスを誘導するための部材を別途用いないので、燃料電池モジュール2Xの小型化を実現することができる。
図22に示すように、本変形例による改質器120Xは、上記した改質部120cの凹部120d(図18参照)に対応する部分に、当該改質器120X(詳しくは改質部120cが形成された部分)を上下方向に貫通するように延び、下方の燃焼室18で生成された排気ガスを通過させる貫通孔120mが形成されている。この貫通孔120mには、混合ガス供給管162の予熱部162aが配置されている。このような貫通孔120mを有する改質器120Xでは、排気ガスは、改質器120の予熱部120b及び改質部120cの外側面とモジュールケース8の内側面との間だけでなく、改質器120Xの貫通孔120mも通過して、下方から上方へと流れていく。
また、本変形例による改質器120Xは、天板120fと遮蔽板120gとの間に、中央部(貫通孔120mに面する部分)が下方に凹んだ遮蔽板120nが更に設けられている。このような遮蔽板120nを更に設けた場合、遮蔽板120nと天板120fとの間の空間は排気誘導室201を形成し、遮蔽板120nと遮蔽板120gとの間の空間はガス溜204を形成し、遮蔽板120gと平板120hとの間の空間はガス溜203を形成する。つまり、二つのガス溜203、204、言い換えると二つの断熱層が形成されることとなる。
2、2X 燃料電池モジュール
7 断熱材
8 モジュールケース
8a 天板
8b 側板
11 排気口
12 燃料電池セル集合体
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼室
20、120 改質器
20a、120a 混合ガス供給口
20b、120b 予熱部
20c、120c 改質部
20d 貫通孔
21 熱交換モジュール
23 熱交換器
23a 発電用空気通路部
23b、23d オフセットフィン
23c 排気通路部
25、125 蒸発器
25a、125a 蒸発部
25b、125b 混合部
25c、125c 排気通路部
62、162 混合ガス供給管
62a、162a 予熱部
71 第1排気通路
72 第2排気通路
77 発電用空気供給通路
80、81 排気ガイド板
171 第1排気通路
172 第2排気通路
172a オフセットフィン
173 第3排気通路
177 発電用空気供給通路
177c、177d オフセットフィン
201 排気誘導室
203 ガス溜
Claims (8)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物型燃料電池装置において、
互いに電気的に接続された複数の燃料電池セルと、
上記複数の燃料電池セルを収容するモジュールケースと、
上記モジュールケースの周囲を覆うように設けられた断熱材と、
酸化剤ガスを上記複数の燃料電池セルに供給する酸化剤ガス供給通路と、
燃料ガスを上記複数の燃料電池セルに供給する燃料ガス供給通路と、
上記モジュールケース内に水平方向に配置され、水蒸気により原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを上記燃料ガス供給通路に供給する改質器と、
上記複数の燃料電池セルにおいて発電に利用されずに残った燃料ガスを燃焼させ、燃焼熱により上記改質器を加熱する燃焼部と、
上記改質器よりも上方に設けられ、上記モジュールケースから排出すべき排気ガスが通過する排気通路であって、その周囲の少なくとも一部分が上記断熱材で覆われた、上記排気通路と、
酸化剤ガスが供給され、この酸化剤ガスと上記排気通路内を通過する排気ガスとの間で熱交換を行うように、上記排気通路に対して設けられており、熱交換した酸化剤ガスを上記酸化剤ガス供給通路に供給する熱交換器であって、その周囲の少なくとも一部分が上記断熱材で覆われるように配置されると共に、上記改質器よりも上方に配置された、上記熱交換器と、
水が供給され、この水と上記排気通路内を通過する排気ガスとの間で熱交換を行うように、上記排気通路に対して設けられており、熱交換によって水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを上記改質器に供給する蒸発器であって、上記断熱材内で且つ上記モジュールケースの外部に配置されると共に、上記改質器よりも上方に配置された、上記蒸発器と、
を有し、
上記蒸発器には、水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部と、この水蒸気と原燃料ガスとを混合させる混合部とが形成されており、
上記断熱材及び上記モジュールケース内を上下方向に横断するように延びて、上記蒸発器の混合部と上記改質器とを連結し、上記蒸発器の混合部から上記改質器に混合ガスを供給する混合ガス供給管を更に有し、
上記改質器には、上記混合ガス供給管から混合ガスが流入する入口側に設けられ、この流入した混合ガスを予熱する予熱部と、混合ガスの流れ方向において上記予熱部よりも下流側に設けられ、改質触媒が充填された改質部とが形成されている、ことを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。 - 上記改質器の予熱部は、上記複数の燃料電池セルの上端の直上で、且つ、上記燃焼部による燃焼熱及び排気ガスに曝される位置に配置され、
上記モジュールケース内に設けられ、上記燃焼部による排気ガスの気流を上記改質器の予熱部に指向させる排気ガス指向手段を更に有する、請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池装置。 - 上記改質器よりも上方の上記モジュールケース上の位置に、上記排気通路と連通し、この排気通路へ排気ガスを流出させる排気口が形成され、
上記排気ガス指向手段により上記改質器の予熱部に指向された排気ガスが、この予熱部に衝突した後に折り返して上記排気口に指向されるように構成されている、請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池装置。 - 上記混合ガス供給管にも、その内部を通過する混合ガスを予熱する予熱部が設けられている、請求項3に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
- 上記混合ガス供給管の予熱部は、上記混合ガス供給管において混合ガスの流れ方向における下流側の部分に設けられ、上記複数の燃料電池セルの上端部によって形成される仮想平面と平行になるように延び、それにより、上記燃焼部による排気ガスを当該予熱部に衝突させるようにする、請求項4に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
- 上記改質器は、上記混合ガス供給管の予熱部から混合ガスが噴出され、この混合ガスが当該改質器の予熱部において拡張されて噴出速度が低下するように構成されていると共に、噴出された混合ガスが当該改質器の予熱部の壁面に衝突して折り返して上記改質部に供給されるように構成されている、請求項4に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
- 上記改質器には、この改質器を上下方向に貫通するように延び、排気ガスを通過させる貫通孔が形成され、
上記混合ガス供給管の予熱部は、上記改質器の貫通孔内に配置され、上記複数の燃料電池セルの上端部に対面するように水平方向に延びる、請求項4に記載の固体酸化物型燃料電池装置。 - 上記排気ガス指向手段は、上記改質器の貫通孔を形成する改質器壁面によって構成される、請求項7に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
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